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1.研究背景

 

滑石粉（Talc）填充可改善聚丙烯（PP）原材料的多種性能，包括成型收縮率、表面硬度、彎曲模量、拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定性和熱變形溫度等。隨著滑石粉用量的增加，改性料的熱變形溫度逐步增加，主要是由于滑石粉的加入大幅度提高了材料的剛性，同時(shí)在一定程度上，降低了改性料的成型收縮率。尤其是高含量PP-Talc40%體系由于高模量，低尺寸變化率，高耐熱溫度而被廣泛應(yīng)用于包括車燈殼體、空調(diào)風(fēng)門、空調(diào)出風(fēng)口葉片等汽車零部件。由于汽車向輕量化、集成化的趨勢發(fā)展，很多結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜的PP-Talc40%產(chǎn)品不能通過一次注塑成型，因而需要通過焊接技術(shù)將不同塑料零部件焊接在一起。

 

振動摩擦焊接方法主要是兩個(gè)塑料件在一定的壓緊力、振幅和頻率下，通過高頻振動使得焊接樣品相互摩擦產(chǎn)生熱量，熔融固化以及冷卻后，達(dá)到永久性連接的目的，因?yàn)槠浯笪灰七\(yùn)動，產(chǎn)生足夠熱量，從而能完成高強(qiáng)度焊接。同時(shí)材料兼容性比其他的焊接方法（包括熱板焊接、激光焊接、超聲波焊接）更好，能夠焊接得到較高焊接強(qiáng)度和良好的密封性，因而廣泛應(yīng)用于發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管、碳罐、儀表盤、尾燈等部位。

 

目前，已有相關(guān)文獻(xiàn)研究了不同PP體系焊接性能的規(guī)律，但是對于滑石粉填充PP，尤其是PP-Talc40%體系，不同的焊接工藝對其焊接性能的影響卻研究較少。

 

本文以PP-Talc40%體系為原料，通過注塑成型制備焊接樣條。采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法（DOE），研究了焊接深度、壓緊力以及振幅三個(gè)主要因子對焊接強(qiáng)度的影響。同時(shí)探究了不同的焊接工藝，包括：深度、振幅、壓緊參數(shù)以及焊接工位等對PP-Talc40%體系焊接強(qiáng)度的影響。

 

2、結(jié)果與討論

 

2.1DOE試驗(yàn)方案

 

利用DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行3因子，5水平振動摩擦焊接試驗(yàn)，在進(jìn)行單工位焊接過程中，當(dāng)焊接壓緊參數(shù)超過4 MPa時(shí)，上下模具相互接觸擠壓過程中，已經(jīng)發(fā)生破壞，無法進(jìn)行焊接，因而在單工位焊接過程中，控制壓緊參數(shù)為3 MPa。焊接后的樣條進(jìn)行拉伸強(qiáng)度測試，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

 

表1不同影響因素下PP-Talc40%焊接強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

 

 

從焊接強(qiáng)度的主效應(yīng)圖1（A）中可以看出，隨著焊接振幅從0.6 mm增加到1.8 mm而增加。若想該材料獲得較高的焊接強(qiáng)度，焊接振幅需不低于1.2 mm，焊接深度不低于1.0 mm。從焊接強(qiáng)度交互作用圖1（B）可以看出，當(dāng)選用振幅1.2 mm，焊接深度1.8 mm時(shí)，焊接強(qiáng)度的均值最高，其次是焊接振幅1.5 mm，焊接深度1.8 mm。

 

 

圖1：（A）：焊接強(qiáng)度主效應(yīng)圖；（B）：焊接強(qiáng)度交互作用圖

 

2.2 焊接振幅對焊接強(qiáng)度的影響

 

固定焊接深度為1.8 mm，焊接壓緊參數(shù)為3 MPa，焊接振幅分別為：0.5 mm，0.7 mm，0.9 mm，1.1 mm，1.3mm，1.5 mm，1.6 mm和1.7 mm。從圖2中可以看出，隨著焊接振幅增加，焊接強(qiáng)度有增加趨勢，當(dāng)焊接振幅高于0.9 mm時(shí)，焊接強(qiáng)度變化不大，均在4.42-5.62 MPa之間。因而當(dāng)焊接振幅超過一定值時(shí)，對焊接強(qiáng)度的影響不大。

 

 

圖2焊接強(qiáng)度隨著振幅變化關(guān)系圖

 

從圖3焊接頭處橫截面的二次元影像可以看出，振幅0.5 mm，相比較振幅1.3 mm和1.7 mm時(shí)，表面出現(xiàn)相對較多的灰黑色區(qū)域。表明在拉伸斷裂過程中，這部分區(qū)域出現(xiàn)相對較少聚丙烯分子鏈段的相互拉扯。從而進(jìn)一步說明焊接過程中，低振幅條件下，聚合物分子鏈段熔融，纏結(jié)能力相對較弱，焊接強(qiáng)度較低。

 

 

圖3 不同振幅焊接后的樣條焊接頭處橫截面的二次元影像（壓緊參數(shù)3MPa，焊接深度1.8mm）

 

2.3焊接深度對焊接強(qiáng)度的影響

 

設(shè)定焊接壓緊參數(shù)為3 MPa，設(shè)定振幅分別為0.6 mm，1.2 mm和1.8 mm，改變焊接深度分別為0.1mm，0.2mm，0.4mm，0.6 mm，0.8 mm，1.0mm，1.2 mm，1.4 mm，1.6 mm和1.8 mm。焊接強(qiáng)度隨著焊接深度以及振幅的變化關(guān)系見圖4。

 

 

圖4焊接強(qiáng)度隨著焊接深度以及振幅的變化關(guān)系圖

 

從圖4可以看出，較低焊接振幅（0.6mm）時(shí)，隨著焊接深度增加，焊接強(qiáng)度不斷增加，但是焊接強(qiáng)度相對較低。主要原因是低振幅下，剪切力較低，接觸面處塑料分子之間熱運(yùn)動能力不足，導(dǎo)致分子鏈之間的纏結(jié)程度降低，焊接強(qiáng)度低于2.41MPa。另外PP-Talc40%體系在振動摩擦焊接的固液相變階段，由于摩擦生熱導(dǎo)致的流體層與層之間的橫向流動，在接觸面區(qū)域更多的是上下樣品的滑石粉進(jìn)行相互交叉結(jié)合，在接觸面處如果分子鏈纏結(jié)程度不足，將會導(dǎo)致比較低的焊接強(qiáng)度。

 

 

圖5不同深度焊接后的樣條焊接頭處橫截面的二次元影像（壓緊參數(shù)3 MPa，振幅1.2 mm）

 

從圖5焊接頭處橫截面的二次元影像可以看出，當(dāng)振幅固定為1.2 mm，壓緊參數(shù)設(shè)定為3 MPa時(shí)，其焊接面影像中灰黑色局部區(qū)域占比相差不大，表明高振幅條件下，其焊接強(qiáng)度受焊接深度的影響較小。

 

因而，需要選擇相對較高的振幅進(jìn)行PP-Talc40%體系振動摩擦焊接。在高振幅的條件下，尤其焊接振幅選擇1.8mm時(shí)，較低的焊接深度下就能夠達(dá)到比較高的焊接強(qiáng)度。

 

2.4焊接機(jī)壓緊參數(shù)對焊接強(qiáng)度的影響

 

固定焊接振幅1.8 mm，焊接壓緊參數(shù)設(shè)定為3MPa、4MPa和5MPa，選擇單工位的焊接方式，焊接深度選擇為0.7 mm，0.9 mm，1.1 mm，1.3 mm和1.5 mm。

 

 

圖6焊接強(qiáng)度隨著焊接深度和壓緊參數(shù)的變化關(guān)系圖

 

從圖6可以看出，當(dāng)控制焊接振幅和焊接深度相同時(shí)，壓緊參數(shù)4MPa下的焊接強(qiáng)度均比3MPa下大，當(dāng)焊接深度1.3mm時(shí)，焊接強(qiáng)度均值為10.12MPa，約占ISO拉伸樣條拉伸強(qiáng)度29%。當(dāng)壓緊力為5 MPa時(shí)，上下模具合模時(shí)，樣品被破壞，強(qiáng)度較低，均值在0.16MPa左右。

 

 

圖7不同壓緊參數(shù)焊接后的樣條焊接頭處橫截面的二次元影像（深度1.3mm，振幅1.8mm）

 

從上圖7可以看出，當(dāng)壓緊參數(shù)設(shè)定為4MPa時(shí)，其接頭處橫截面的二次元影像基本呈現(xiàn)白色區(qū)域，表明其在拉伸實(shí)驗(yàn)過程中，橫截面區(qū)域都撕裂，其焊接過程中聚合物分子鏈段熔融，纏結(jié)能力相對較優(yōu)，焊接強(qiáng)度較高。當(dāng)壓緊參數(shù)設(shè)定為5MPa時(shí)，在合模時(shí)，樣品出現(xiàn)破壞，只出現(xiàn)極少區(qū)域熔融焊接，因而焊接強(qiáng)度很低。

 

 

圖8 （A）單工位焊接示意圖；（B）雙工位焊接示意圖；（C）三工位焊接示意圖

 

因而可以考慮增加工位數(shù)，即多個(gè)樣品同時(shí)焊接的方式，來平衡單個(gè)樣品局部壓強(qiáng)過高的現(xiàn)象，等同于增加樣品焊接區(qū)域的面積。如圖8所示，分別為單工位焊接，雙工位焊接以及三工位焊接示意圖。

 

2.5焊接工位數(shù)對焊接強(qiáng)度的影響

 

固定焊接振幅為1.8 mm，壓緊參數(shù)4MPa，改變焊接深度，分別控制其為0.7 mm、0.9 mm、1.1 mm和1.3 mm。焊接強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示?？梢钥闯?，相同焊接壓緊參數(shù)條件下，隨著同時(shí)焊接工位數(shù)量的增加，焊接強(qiáng)度有明顯增加的趨勢，三工位的焊接強(qiáng)度能夠達(dá)到11.24±0.80 MPa，約為其ISO拉伸樣條拉伸強(qiáng)度的32.1±2.3%。

 

 

圖9焊接強(qiáng)度隨著焊接深度和同時(shí)焊接工位數(shù)的變化關(guān)系圖

 

從圖10可以看出，隨著焊接工位數(shù)的增加，其接頭處橫截面的二次元影像白色區(qū)域占比越來越高。因而選擇相對較多的工位數(shù)進(jìn)行焊接，能夠促進(jìn)焊接面處更好的分子鏈熔融纏結(jié)的效果。

 

 

圖10不同工位數(shù)焊接后的樣條焊接頭處橫截面的二次元影像（深度1.1mm，振幅1.8mm）

 

根據(jù)以上研究結(jié)果可知：控制高振幅1.8 mm，壓緊參數(shù)4MPa，三工位的焊接方式，PP-Talc40%體系能夠得到相對較優(yōu)的振動摩擦焊接工藝。

 

3、結(jié)論

 

本文利用DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案研究了40%滑石粉填充聚丙烯（PP-Talc40%）體系的焊接強(qiáng)度影響因素，研究結(jié)論如下：

 

1）隨著焊接振幅增加，焊接強(qiáng)度有增加趨勢，當(dāng)焊接振幅低于0.6 mm時(shí)焊接強(qiáng)度較低，高于0.9 mm時(shí)焊接強(qiáng)度變化不大。

 

2）需要設(shè)定較高的振幅進(jìn)行該種材料焊接，當(dāng)振幅為1.8mm時(shí)，較低的焊接深度也能夠達(dá)到較高的焊接強(qiáng)度；高振幅條件下，焊接強(qiáng)度受焊接深度的影響較小。

 

3）控制焊接振幅和焊接深度相同時(shí)，壓緊參數(shù)4 MPa下的焊接強(qiáng)度均比3MPa下大，超過5 MPa時(shí)焊接強(qiáng)度較低。

 

4）增加焊接工位數(shù)能夠得到更高的焊接強(qiáng)度。三工位的焊接強(qiáng)度能夠達(dá)到11.24±0.80 MPa，約為其材料拉伸強(qiáng)度的32.1±2.3%。